Machines à frottement. Machine de Ramsden

Elle se compose d'un plateau de verre mobile autour d'un axe horizontal [fig. 73) qui frotte contre deux paires de cous-

sins placés sur un diamètre vertical et vient ensuite passer entre deux conducteurs en forme de fer à cheval et munis de pointes intérieurement, qui sont placés sur un diamètre horizontal. L'électricité est produite par le frottement du verre contre les coussins, elle est transportée avec le plateau entre les peignes ; bien que ceux-ci soient loin de réaliser un conducteur fermé, le plateau en sort à l'état neutre et par suite une quantité d'électricité égale à la sienne a passé sur les conducteurs isolés en communication avec les peignes.

Le verre est de tous les corps celui qui convient le mieux, pour le plateau; il ne se déforme pas comme le caoutchouc durci qu'on a quelquefois cherché à lui substituer ; sa surface ne subit pas non plus les mêmes altérations. Tous les verres ne sont pas de qualité égale : les anciennes glaces en verre un peu vert donnent les meilleurs plateaux.

Les coussins sont ordinairement en cuir rembourré et sont maintenus appuyés contre le plateau par des ressorts flexibles. Du moment où ils sont bien appliqués contre le verre, une augmentation de pression n'a aucune influence sur le développement de l'électricité. La surface du cuir doit être recouverte de substances conductrices; on emploie l'or mussif ou des amalgames de zinc et d'étain réduits en poudre fine et fixés en une couche bien uniforme avec un peu de suif. Il s'établit au contact une diff'érence de potentiel fixe entre le coussin et le verre, le verre prenant l'électricité positive, le coussin l'électricité négative. Cette diff'érence de potentiel doit être très faible, les couches de signes contraires en présence étant égales et très voisines. Mais sitôt que le verre est sorti du coussin, son potentiel prend une valeur très grande et pour empêcher la déperdition, il y a avantage à le recouvrir d'une enveloppe de tafTetas que l'attraction électrique applique exactement contre le plateau.

On met ordinairement les coussins en communication avec le sol; que les coussins soient isolés ou non, le débit de la machine n'est pas changé, pas plus que la diff'érence de

MACHINES ELECTRIQUES. 95

potentiel qui s'établit entre les coussins et les conducteurs, différence qui est constante pour des conditions atmosphériques données. La valeur absolue du potentiel change seule. Si un observateur placé sur le sol veut tirer des étincelles du conducteur, il profitera, en mettant les coussins au sol, de toute la différence de potentiel ; mais s'il s'agit de faire partir des étincelles entre les conducteurs de la machine et un corps en communication avec les coussins, ou de charger une batterie, pourvu que l'armature extérieure soit mise en communication avec les coussins, il importe peu que ceux-ci soient isolés ou non.

On construit parfois des machines où les coussins sont portés par des pieds de verre et reliés à un second système de conducteurs. On peut alors recueillir à volonté de l'électricité positive ou négative. Pour tirer avec la main des étincelles de l'un des conducteurs on devra mettre l'autre au sol ou le faire communiquer avec la main.

Pour juger du potentiel du conducteur, on place à l'extrémité un petit électroscope dit électromètre de Henley ; c'est un petit pendule formé par une tige d'ivoire qui porte une balle de sureau et qui est mobile devant un cadran; il est évident que l'écart croît avec le potentiel. Il est évident aussi, d'après ce qu'on vient de dire, que l'écart est plus grand quand les coussins sont au sol que quand ils sont isolés.

Pour augmenter la capacité des conducteurs et obtenir des étincelles plus nourries, on mettait autrefois le conducteur principal en communication avec de grands cylindres métalliques suspendus au plafond par des cordons de soie et qu'on appelait les conducteurs secondaires ; il est plus simple et moins encombrant de mettre le conducteur en communication avec l'armature intérieure d'une bouteille de Leyde.

88. — La bouteille de Lane fournit un moyen simple de mesurer le débit de la machine et d'étudier les conditions qui modifient ce débit. Nous avons déjà dit que ce débit est indépendant de la pression des coussins du moment où le contact

avec le plateau de verre est suffisamment assuré. Il est également indépendant de la capacité des conducteurs tant que les causes de déperdition restent les mêmes. Il est proportionnel à la surface de verre qui passe sous le frottoir ; proportionnel, par conséquent, à la longueur des frottoirs (ainsi quand on supprime une paire de coussins sur deux, le débit tombe à moitié) ; et proportionnel d'autre part, au moins dans de larges limites, à la vitesse de rotation du plateau.

Dans certaines machines on ne met qu'une paire de coussins et un seul peigne, dans le but de reculer la limite à laquelle la décharge se produit entre les conducteurs et les coussins. On obtient un potentiel plus élevé, mais un débit beaucoup moindre.

89. Machines à induction. Replenisher de sir W. Thomson. — Nous commencerons par cette petite machine que la

figure 74 représente à peu près en grandeur naturelle.

A et B {fig. 73) sont deux portions de cylindre ayant même axe 0, tous deux isolés et qui jouent chacun par rapport à l'autre le rôle d'inducteur et de collecteur. A l'intérieur peut tourner un système de deux lames P et Q sans communication entre elles et qui font l'office de transmetteurs. Quatre ressorts a, b, c, d placés sur une même circonférence sont rencontrés successivement par la partie la plus saillante du transmetteur \aeih communiquent respectivement avec A et B, c et c? communiquent entre eux.

Supposons que la rotation ait lieu dans le sens de la flèche et que le conducteur A soit chargé d'électricité positive ; suivons la lame P, les choses se passant au même instant de la

Vii^.

même manière, au signe près de la charge, pour la lame Q. Dans la situation qu'elle occupe sur la figure, en contact avec le ressort c, la lame P se charge par influence d'électricité négative, elle vient ensuite se placer à l'intérieur du conducteur B et lui cède toute sa charge au moment où elle touche le ressort b; elle prend alors au moment où elle touche cl une charge d'électricité positive qu'elle ira céder de même au conducteur A, et ainsi de suite. Il est évident que si on tournait en sens contraire, on diminuerait la charge du conducteur. Cette petite machine n'a pas besoin d'être amorcée ; il est rare qu'un

conducteur soit absolument à l'état neutre et il suffit d'une trace d'électricité sur un des conducteurs pour que l'action commence.

90. Machine de Holtz. — La machine de Holtz fonctionne d'une manière analogue, seulement l'accroissement de charge est continu au lieu d'être intermittent.

Elle se compose de deux plateaux de verre [flg. 76) placés parallèlement à très petite distance, l'un fixe, l'autre mobile autour d'un axe horizontal. Outre une ouverture centrale laissant passer l'axe du plateau mobile, le plateau fixe est percé de deux fenêtres aux extrémités d'un même diamètre; d'un côté de chacune de ces fenêtres, est une armature de papier munie d'une languette, également en papier, laquelle se termine en pointe au milieu de l'espace libre. En face des armatures, de l'autre côté du plateau mobile, sont deux peignes en communication avec deux petits conducteurs isolés P et N. Une tige métalUque qu'on peut mouvoir par un manche isolant permet de faire commuiiiquer les deux boules JouBERT. — Électricité. 7

P et N que nous appellerons les pôles de la machine. Enfin deux bornes à coulisses P' et N' peuvent être amenées au contact des pôles correspondants, et servent à mettre l'un ou l'autre en communication avec le sol.

La machine demande à être amorcée. On fait communi-

%m'AQt\:iQ

Fig. 76.

quer les deux pôles, et le plateau mobile étant mis en rotation de manière à venir au-devant des pointes, on approche de l'une des armatures une plaque d'ébonite frottée et chargée par suite d'électricité négative. Si la machine s'amorce, un bruissement particulier se produit; l'un des peignes laisse échapper une nappe lumineuse qui va au-devant du plateau mobile, c'est le peigne positif (15) ; l'autre présente de petites étoiles à toutes ses pointes, c'est le peigne négatif. Il

se forme en même temps mie grande quantité d'ozone. On peut alors retirer la tige qui fait communiquer les deux pôles, l'étincelle jaillit entre eux sous forme d'aigrette, tant que ]a rotation continue. On constate facilement que l'électricité de chacun des pôles est de signe contraire à celle qui s'échappe du peigne qui lui correspond.

La forme d'aigrette tient à la faible capacité des conducteurs ; pour augmenter cette capacité, on fait communiquer respectivement les deux conducteurs avec les armatures intérieures de deux bouteilles de Leyde H et K dont les armatures extérieures communiquent entre elles. Les deux bouteilles forment une cascade entre les deux pôles et chacune d'elle supporte une différence de potentiel égale à la moitié de celle que comporte la machine (59); si l'armature extérieure est au sol, les deux conducteurs sont à des potentiels égaux et de signes contraires. Avec les bouteilles les étincelles ne sont plus continues comme l'aigrette; elles se succèdent à intervalles réguliers et sont beaucoup plus nourries, plus lumineuses et plus bruyantes. Avec une machine dont le plateau a 60 centimètres elles atteignent jusqu'à 20 centimètres.

La plupart des machines telles qu'on les construit aujourd'hui sont doubles ; elles ont deux plateaux fixes adossés l'un à l'autre ; les deux plateaux mobiles montés sur un même axe, tournent à l'extérieur. Les armatures sont placées en regard, et celles qui se font face sont chargées de même électricité. Un même peigne en forme de fer à cheval embrasse les deux plateaux mobiles. Rien n'est changé dans le fonctionnement de la machine, le débit seul est doublé.

L'amorcement de la machine est une des difficultés de son emploi ; il est malaisé par les temps humides et ne se produit que si la plaque d'ébonite est fortement électrisée. On donne ordinairement aux plateaux une vitesse de 8 ou 10 tours par seconde.

Pour expliquer le jeu de la machine et rendre les figures

plus claires, nous remplacerons les plateaux de verre par des cylindres concentriques [fig. 77).

La circonférence représente le cylindre mobile ; A' et B', les deux armatures de papier (on n'a pas figuré le cylindre fixe, celui-ci n'ayant guère d'autre rôle que de porter les armatures) ; Aa, B^, les deux conducteurs actuellement en communication.

Supposons le plateau immobile. On approche de l'armature A' la plaque d'ébonite chargée d'électricité négative. Un état d'équilibre se produit représenté par la figure, l'armature A' est positive, l'armature B' négative, le conducteur AB, à cause de ses pointes, à l'état neutre. Le verre qui a reçu l'électricité des pointes est négatif sur ses deux faces entre A et A', positif entre B et B'.

Si on déplace le plateau,

l'équilibre est rompu et tend

immédiatement à se rétablir;

et après un demi-tour, l'état

du système est représenté par la figure 78. Toute la moitié

supérieure du cylindre est négative, toute la moitié inférieure

positive.

Continuons à faire tourner le plateau dans le même sens. Si les deux armatures conservaient une même charge, l'équilibre dans la ligne des conducteurs devrait se rétablir comme auparavant et chacun des peignes devrait fournir une quantité d'électricité sensiblement double, puisque le peigne A, par exemple, doit neutraliser l'électricité positive du plateau et la remplacer par une quantité équivalente d'électricité négative. Mais il est facile de voir que la charge des armatures va en croissant par suite de l'influence des charges de signes contraires répandues sur les faces supérieure et inférieure du

Fig.

plateau mobile. La quantité d'électricité déposée sur le verre par les peignes va donc constamment en augmentant. Tant que la rotation continue le conducteur AB est donc le siège d'un double courant, un courant d'électricité positive allant de A vers B, et un courant d'électricité négative allant de B vers A. Si on interrompt le circuit en séparant les deux pôles a et^, et que la distance explosive ne soit pas trop grande, le flux n'est pas interrompu et l'étincelle jaillit d'une manière continue, sous forme d'aigrette, entre a et b; mais si la distance est trop grande, le flux cesse de se produire et la machine ne tarde pas à se décharger. Elle se décharge encore plus vite si l'on tourne le plateau en sens contraire.

Siles bouteilles sont en communication avec les conducteurs, le flux au lieu de franchir d'une manière continue ia distance ab^ charge les bouteilles jusque ce que le potentiel atteigne la valeur qui correspond à la distance explosive. Une étincelle éclate et la même succession de phénomènes se reproduit.

Quand, avec les bouteilles, la distance des deux pôles est trop grande pour être franchie par l'étincelle, un phénomène curieux peut se produire : les bouteilles commencent à se charger; puis la machine s'éteint, après quoi elle reprend tout à coup, les signes des pôles étant renversés, et la même suite d'alternatives se reproduit. Chaque bouteille se charge €t se décharge alternativement par le peigne correspondant. L'expérience réussit surtout avec les batteries de grande capacité.

La machine de Holtz donne Heu à une expérience curieuse de réversibilité. Si on réunit pôle à pôle deux machines A et

Fig.

B et qu'on rende libre le plateau mobile de B en le débarrassant des courroies de transmission, ce plateau se met à tourner en sens contraire du sens normal dès qu'on fait fonctionner la machine A.

La bouteille de Lane montre que le débit de la machine est proportionnel à la vitesse de rotation, indépendant de la capacité du conducteur, et indépendant de la valeur absolue du potentiel des pôles : il ne change pas quand on met l'un d'eux en communication avec le sol par une des colonnes P' ou N'. Il diminue notablement quand la différence de potentieJ augmente.

91. Conducteur diamétral. — On a cherché de plusieurs manières à empêcher la machine de s'éteindre ou d'intervertir ses pôles; sous ce rapport la machine double se maintient mieux que la machine simple, mais sans être exempte des mêmes inconvénients. La solution la plus ingénieuse est celle du conducteur diamétral (fig. 79). Les armatures

occupent presque tout un quadrant et un conducteur isolé A^Bj terminé par des peignes à ses deux extrémités peut être placé entre elles suivant un diamètre quelconque. Tant que les deux pôles sont en contact, ou qu'étant séparés le flux continue à se produire, c'està-dire tant que la machine fonctionne normalement, le conducteur diamétral ne joue aucun rôle, les conditions de son équilibre à l'intérieur des deux armatures étant celles qui viennent d'être établies par le conducteur principal. Mais si on écarte les pôles de manière que celui-ci cesse d'agii", le conducteur diamétral le remplace et la machine continue à fonctionner.

Fig. 79-

92. Machine de Voss. — La machine de Iloltz a été modifiée de bien des manières. Nous citerons en particulier la machine de Voss [fig. 80). C'est une machine à conducteur diamétral, dans laquelle les^^ointes des armatures sont remplacées par de petits balais qui viennent frotter contre des pastilles métalliques collées sur la partie antérieure du

Fis. 80.

plateau mobile. La machine s'amorce d'elle-même et est très peu sensible à l'humidité.

93. Débit et énergie d'une machine. — Le débit des machines à induction est ordinairement beaucoup plus grand que celui des machines à frottement. Avec une bouteille de Lane dont la distance explosive était réglée à i millimètre, le débit par tour d'une machine de Ramsden de 98 centimètres de diamètre étant i, celui d'une machine de Holtz double de 55 centimètres était de 0,86. Les vitesses normales étant par seconde de i tour pour la première machine et 10 tours pour la seconde, les débits par seconde sont entre eux comme i est à 8,6.

La puissance mécanique P d'une machine ayant atteint uti régime permanent est égale au produit El de son débit par seconde par la différence de potentiel des deux pôles (35).

Les nombres suivants sont empruntés aux expériences de

M. Mascart : 7 tours de plateau d'une machine de Holtz double

ont chargé une batterie dont la capacité électrostatique était

de 22 5oo centimètres, de manière à leur faire donner une

étincelle de i millimètre.

22 5oo

La capacité de la batterie étant de -^ = o,o25 micro-

farads (51) et la distance explosive de o, i centimètre correspondant à une différence de potentiel de 5 490 volts (71) on trouve pour la charge de la batterie

M = YC ^5 490 . 0,025 . 10-^ = 1 37,25 . 10-^ coulombs, et pour le travail correspondant (52)

W = - M V = -. 5 490 . 137, 25 . 10"^ = 0,75 watts. 2 2

Le débit de la machine est donc de 1 37,25. lo"'' : 7 coulombs

par tour et comme elle fait en marche normale 10 tours par

seconde, on a pour le débit par seconde.

I = 0,0002 coulombs.

La machine peut donner des étincelles de 22 centimètres correspondant à un potentiel de 1 33 000 volts. Si le débit restait constant pour ces hauts potentiels, ce qui n'est pas, la puissance maximum de la machine serait de

i33 000 . 0,0002 = 26,6 watts-seconde,

soit environ -r- de cheval-vapeur.